陶瓷金屬材料論文范文

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1玻璃－金屬封接

玻璃－金屬封接的主要問題為兩者的物理化學(xué)不相容和熱應(yīng)力問題。玻璃的主要成分為SiO2，Al2O3，為典型的非金屬材料，為共價(jià)鍵連接結(jié)構(gòu)，而金屬則以電子云的方式結(jié)合，導(dǎo)致熔融狀態(tài)的玻璃材料在金屬表面無法潤濕鋪展，從而無法達(dá)到玻璃－金屬的封接。此外，玻璃與一般金屬的熱膨脹系數(shù)相差很大，即使兩者能夠潤濕連接，也會在冷卻過程中產(chǎn)生較大的應(yīng)力，甚至出現(xiàn)玻璃炸裂的現(xiàn)象。針對物理化學(xué)不相容性問題，主要采用金屬材料表面改性的方法，以達(dá)到熔融玻璃與金屬的潤濕鋪展。在電真空行業(yè)，目前廣泛應(yīng)用的金屬表面改性方法是金屬表面預(yù)氧化，首先在含氧氛圍中加熱金屬表面，使表面產(chǎn)生與基體結(jié)合緊密的氧化膜（如Fe2O3，F(xiàn)e3O4等），該氧化膜可與熔融的玻璃潤濕鋪展，從而解決玻璃－金屬物理化學(xué)不相容問題。針對玻璃－金屬封接應(yīng)力問題，目前主要采用開發(fā)熱膨脹系數(shù)相近的玻璃、金屬的方法。目前在玻璃－金屬封接中應(yīng)用較為廣泛的金屬材料為Fe－Co－Ni系膨脹合金（如4J29）和封接玻璃（如DM－308）。陳文莉等人［1］通過添加金屬氧化物（MnO2，Co2O3等）等對DM－308型電子玻璃進(jìn)行改性，使玻璃的抗彎強(qiáng)度提高7％，并改善了玻璃與可伐合金的封接強(qiáng)度，使兩者封接面的抗剪強(qiáng)度提高了15．6％。分析指出，添加金屬氧化物加速界面處可伐合金中的金屬元素向玻璃中的擴(kuò)散是改善封接性能的主要原因。胡忠武等人［2］采用金相、XRD，SEM等手段，研究了氧化膜的連續(xù)性、厚度對玻璃－可伐合金封接件的透氣率、抗拉強(qiáng)度的影響。研究指出，只有當(dāng)金屬氧化物的摩爾體積與金屬元素的摩爾體積之比略大于1時(shí)，金屬表面才能形成覆蓋連續(xù)且致密的氧化膜；具有尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化膜對封接有利，且氧化膜的最佳增重為3～7g/m2。DongqiangLei等人［3］針對太陽能接收器玻璃－可伐封接的薄弱環(huán)節(jié)，利用高頻感應(yīng)加熱方式，對預(yù)先氧化的可伐合金與玻璃進(jìn)行封接試驗(yàn)，并測試了接頭的密封性能、接頭強(qiáng)度、抗溫度沖擊性能及結(jié)合面的顯微組織。試驗(yàn)結(jié)果表明，0．3～0．8mg/cm2的可伐合金預(yù)氧化增重條件可得到良好的玻璃－可伐封接接頭。筆者還利用試驗(yàn)測量和ANSYS有限元方法［4］測定和計(jì)算了太陽能接收管可伐與玻璃封接接頭的殘余應(yīng)力，試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果相吻合，并指出接頭的薄弱點(diǎn)不僅出現(xiàn)在玻璃－可伐的封接面，玻璃外表面靠近封接面處也是應(yīng)力集中較大的區(qū)域。此外，金屬環(huán)伸入玻璃管的長度越大，則接頭的最大殘余應(yīng)力就減小。

2陶瓷－金屬封接

與玻璃－金屬封接相似，陶瓷－金屬封接亦有2種材料物理化學(xué)不相容和熱應(yīng)力問題。陶瓷－金屬封接工藝主要通過陶瓷表面燒結(jié)金屬化層的方式實(shí)現(xiàn)與金屬材料的表面潤濕。對熱應(yīng)力的釋放則依賴于金屬化層和釬焊過程中釬料的變形和緩沖。陶瓷-金屬封接廣泛采用的是燒結(jié)金屬粉末法（如活性鉬－錳法），該連接工藝主要包括陶瓷的處理、膏粉的制備、涂膏、金屬化燒結(jié)、鍍鎳、二次金屬化、釬焊等過程。陶瓷表面金屬化層的質(zhì)量是決定整個(gè)陶瓷－金屬封接接頭的主要環(huán)節(jié)。目前對該種方法的研究主要集中在陶瓷表面金屬化的機(jī)理研究、表面金屬化強(qiáng)度提高、陶瓷與金屬化層強(qiáng)度表征等。北京真空電子技術(shù)研究所對陶瓷－金屬封接工藝及機(jī)理開展了大量研究工作。張巨先等人［5］研究了不同陶瓷表面金屬化時(shí)金屬粉與陶瓷相的相互作用機(jī)理。針對w（Al2O3）95％陶瓷采用Mo含量不同的粉末對陶瓷表面金屬化，指出在金屬化過程中，Mo顆粒形成骨架網(wǎng)絡(luò)，金屬粉中的玻璃相填充骨架網(wǎng)絡(luò)的空隙，并與w（Al2O3）95％陶瓷中的玻璃相融和，通過毛細(xì)作用滲入陶瓷，得到有一定強(qiáng)度的致密金屬化層，當(dāng)玻璃相含量較高時(shí)，會在骨架網(wǎng)絡(luò)中形成較多的內(nèi)閉口氣孔。針對高純Al2O3陶瓷［6］，由于陶瓷內(nèi)部無玻璃相及玻璃相遷移通道，其金屬化主要通過Al2O3相表面細(xì)小顆粒的溶解、沉淀、析出及玻璃相對Al2O3陶瓷表面的潤濕過程，實(shí)現(xiàn)致密結(jié)構(gòu)。趙世柯等人［7］采用傳統(tǒng)的Mo-Mn法對透明Al2O3陶瓷進(jìn)行了金屬化，獲得了氣密性可靠的陶瓷-金屬封接件，并指出金屬化層與陶瓷之間的結(jié)合主要來源于金屬化層中的玻璃態(tài)物質(zhì)表面良好的潤濕性。由于制備工藝的限制，陶瓷內(nèi)部存在隨機(jī)的內(nèi)部和表面缺陷，則其與金屬封接接頭的強(qiáng)度具有很大的分散性。石明等人［8］采用Weibull統(tǒng)計(jì)和正態(tài)分布，對氧化鋁陶瓷的封接強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，試驗(yàn)表明，Weibull模數(shù)和變異系數(shù)可以表征材料強(qiáng)度的離散性。

3陶瓷－金屬活性釬焊

陶瓷－金屬活性釬焊工藝?yán)脗鹘y(tǒng)的釬焊方法，通過在釬料中添加活性成分（Ti，Zr等），可以增大釬料對氧化物、硅酸鹽等物質(zhì)的親和力，實(shí)現(xiàn)釬料對陶瓷表面的潤濕和鋪展，完成陶瓷－金屬的釬焊，而釬料對金屬側(cè)的潤濕能力一般都較強(qiáng)，因此對其研究較少。相對于陶瓷－金屬封接工藝，陶瓷－金屬活性釬焊具有工序少、周期短、封接溫度低、零件變形小等優(yōu)點(diǎn)，因此成為近年來陶瓷－金屬連接方向的研究熱點(diǎn)。YLiu等人［9］研究了SiC陶瓷的活性釬焊（Ag－35．25Cu－1．75Ti）工藝（溫度、保溫時(shí)間）對接頭力學(xué)行為的影響，研究指出，隨著釬焊溫度的升高，釬焊接頭的彎曲強(qiáng)度升高，但隨著保溫時(shí)間的延長，活性釬料與陶瓷間的反應(yīng)厚度增大，形成較多的脆性金屬間化合物，使接頭的力學(xué)性能下降。此外，筆者通過XRD手段分析了界面的反應(yīng)產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)陶瓷與活性釬料的連接面由SiC/連續(xù)細(xì)小的TiC層/不連續(xù)粗大的Ti5Si3層/填充合金層組成，從而驗(yàn)證了活性元素Ti與SiC陶瓷間的反應(yīng)產(chǎn)物。ZWYang等人［10］研究了SiO2－BN陶瓷與因瓦合金的Ag－21Cu－4．5Ti活性釬焊。釬焊溫度為1113~1173K，保溫時(shí)間為5~30min。通過掃描電鏡和投射電鏡分析發(fā)現(xiàn)，非晶態(tài)SO2在釬焊過程中活性較低，而h－BN與Ti反應(yīng)生成細(xì)晶反應(yīng)層的活性較大，釬焊過程中形成了100~150nm厚的TiN－TiB2反應(yīng)層，從而實(shí)現(xiàn)了陶瓷與金屬的連接接頭。而因瓦合金中的Fe，Ni元素與Ti元素反應(yīng)生成Fe2Ti，Ni3Ti，并固溶在Ag－Cu基體中，隨著脆性相Fe2Ti，Ni3Ti含量的增高，接頭的抗剪能力下降。李卓然等人［11］研究了95％氧化鋁陶瓷與低碳鋼Ag－Cu－Ti活性釬焊反應(yīng)機(jī)理。試驗(yàn)采用的釬焊溫度為950℃，保溫時(shí)間為5min。通過XRD方法對接頭不同區(qū)域的物相進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，接頭由Al2O3陶瓷/Ti3Cu3O/Ti3Al＋TiMn＋TiFe2＋Ag＋Cu/TiC/低碳鋼組成，釬料中的活性元素Ti，一方面和Cu與Al2O3反應(yīng)形成Ti3Cu3O和Ti3Al，另一側(cè)由于Ti是強(qiáng)碳化物形成元素，導(dǎo)致Ti向低碳鋼側(cè)擴(kuò)散與C充分接觸，同時(shí)較小的C原子也快速向釬料層擴(kuò)散，形成連續(xù)的TiC層，另外與Fe，Mn結(jié)合生成TiFe2和TiMn。

4陶瓷－金屬過渡液相擴(kuò)散焊

陶瓷－金屬的活性釬焊工藝可實(shí)現(xiàn)兩者的可靠連接，但接頭的高溫高應(yīng)力下的環(huán)境適應(yīng)性較差，這是由于活性釬焊的連接溫度較低，若提高釬焊溫度又會引起熱應(yīng)力的增大。而陶瓷－金屬的過渡液相擴(kuò)散焊可較好地解決此問題。陶瓷－金屬過渡液相擴(kuò)散焊的中間層一般為復(fù)合中間層，即由一薄層低熔點(diǎn)金屬或合金熔敷在相對較厚的高熔點(diǎn)核心層上。低熔點(diǎn)薄層熔化后擴(kuò)散進(jìn)入高熔點(diǎn)材料并與之反應(yīng)，使液相消失，形成的合金或中間層性質(zhì)取決于高熔點(diǎn)核心材料的物理性質(zhì)。JiuchunYan等人［12］研究了采用Cu/Ni/Cu中間層連接Al2O3陶瓷與6061鋁合金。釬焊溫度為580℃，隨著保溫時(shí)間的延長，接頭的抗剪強(qiáng)度呈提高趨勢；釬縫部位有純Ni層、Al0．9Ni1．1化合物層、Al基固溶體的存在；釬縫中的Al－Cu的共晶組織增強(qiáng)了Ni層的擴(kuò)散，并縮短了釬焊時(shí)間。MBrochu等人［13］研究了使用Cu－Ti/Ni/Al中間層局部過渡液相擴(kuò)散連接Si3N4陶瓷和FA－129鐵鋁合金。預(yù)加壓應(yīng)力為300kPa，首先以10℃/min的加熱速度加熱到950~1100℃，并保溫30min，之后以5℃/min的速度加熱到1100~1200℃，并保溫1．5～6h完成均勻化過程，最后以55℃/min的速度降溫到300℃。其中Cu－Ti以粉末狀夾在Si3N4/Ni之間，而Al以箔狀夾在Ni/FA－129之間，最終接頭的彎曲強(qiáng)度約為80MPa。李京龍等人［14］以Ti/Ni/Ti為中間層，利用局部過渡液相擴(kuò)散方法對多孔C/SiC材料進(jìn)行了連接。中間層中的活性元素Ti對C/SiC潤濕性能良好，因而形成了能夠沿連接界面孔隙滲入C/SiC基體內(nèi)。接頭冷卻后可形成“扎釘結(jié)構(gòu)”，從而提高接頭的連接強(qiáng)度。

5結(jié)語

無機(jī)非金屬材料與金屬材料分別具有其獨(dú)特的力學(xué)、電學(xué)性能，兩者的連接被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及科研工作中。無機(jī)非金屬材料與金屬材料的連接難點(diǎn)主要是物理化學(xué)性不相容及連接的熱應(yīng)力問題。（1）玻璃－金屬封接工藝對金屬（如Kovar合金）表面預(yù)氧化以達(dá)到與玻璃的潤濕連接，Kovar合金則具有與玻璃相近的熱膨脹系數(shù)，從而減小連接熱應(yīng)力。（2）陶瓷－金屬封接工藝對陶瓷表面涂膏、燒結(jié)、電鍍后，形成與陶瓷致密連接的金屬化層，從而可以直接與金屬材料釬焊得到符合要求的接頭。（3）陶瓷－金屬活性釬焊利用活性元素（如Ti等）直接與陶瓷相反應(yīng)連接，可很大程度上減少工藝復(fù)雜性。（4）陶瓷－金屬過渡液相擴(kuò)散焊工藝加入中間層設(shè)計(jì)，可大幅減小接頭的釬焊應(yīng)力，提高接頭的力學(xué)性能，提升接頭的高溫高應(yīng)力環(huán)境適應(yīng)性。總之，不同的連接工藝均有其側(cè)重點(diǎn)與優(yōu)劣勢，在工業(yè)生產(chǎn)及科研活動中，需要根據(jù)實(shí)際要求及經(jīng)濟(jì)性等方面選擇合適的非金屬材料－金屬材料連接方法［15］。

作者：張衛(wèi)之程焰林馬迎英單位：中國工程物理研究院電子工程研究所